符號是有助于還是妨礙我們思考設(shè)計?
符號很重要，但如果一個符號可以表示多種東西呢?
正如我們將看到的那樣，這可能會造成問題。在模擬世界中，三角形可以表示運(yùn)算放大器、比較器或儀表放大器。您可以使用其中之一實現(xiàn)另一個的功能，但系統(tǒng)性能將不是最佳的。本文將討論其區(qū)別以及需要注意的地方，以便我們設(shè)計的時候能繞開麻煩。我們將看到，在某些情況下，您根本不想嘗試使用錯誤類型的器件進(jìn)行設(shè)計。
查看圖1，哪個三角形表示運(yùn)算放大器?哪個三角形表示比較器?哪個三角形表示儀表放大器?答案：
它們都是!
圖1.運(yùn)算放大器、儀表放大器和比較器。
那么，它們有何區(qū)別，我們?yōu)槭裁匆P(guān)注?從表1可知，某些特性有很大差別，但它們對電路和系統(tǒng)意味著什么?
表1.運(yùn)算放大器、比較器和儀表放大器的比較
我們來看看大家是如何陷入困境的……
反饋
運(yùn)算放大器具有巨大的增益。學(xué)校老師教導(dǎo)我們，開始分析時，兩個輸入之差等于零。但在現(xiàn)實生活中，這是不可能的。如果開環(huán)增益為一百萬，那么要在輸出上獲得5 V，輸入上須有5 μV。為使電路可用，我們需要施加反饋，當(dāng)輸出要變得過高時，控制信號會反饋到輸入，抵消原始激勵——例如負(fù)反饋。當(dāng)用作比較器時，如果沒有反饋，輸出將直接沖到一個軌或另一個軌。如果是正反饋，輸出將在同一方向上被驅(qū)動到更遠(yuǎn)。因此，運(yùn)算放大器需要負(fù)反饋。實際上，當(dāng)某些運(yùn)算放大器用作無反饋的比較器時，電源電流可能比數(shù)據(jù)手冊上的最大值高5至10倍1。
但是，對于比較器來說，正反饋才是我們需要的。在沒有反饋的情況下，如果比較器的一個輸入緩慢超過另一輸入的電平，輸出將開始緩慢變化。如果系統(tǒng)中存在噪聲，例如接地反彈，輸出可能會反轉(zhuǎn)，這在控制系統(tǒng)中當(dāng)然是不希望發(fā)生的。但隨后它開始回頭，產(chǎn)生振蕩行為，有時稱之為震顫(參見 MT-0832中的圖5)。Reza Moghimi的文章“通過遲滯根除比較器的不穩(wěn)定性”充分介紹了添加正反饋(也稱為遲滯)的好處3。
圖2.經(jīng)典三運(yùn)放儀表放大器
對于儀表放大器，反饋已在內(nèi)部，添加反饋只會產(chǎn)生不精確的增益。圖2顯示了一種利用運(yùn)算放大器構(gòu)建儀表放大器的典型方法。
注意：每個運(yùn)放都有反饋。我們從使用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)反饋圖(見圖3)開始，儀表放大器為G，期望增益為10，這意味著反饋系數(shù)為0.1。接下來，選擇儀表放大器固定增益為100。使用式1，實際的閉環(huán)增益將為9.09，幾乎有10%的誤差。因此，將儀表放大器用作運(yùn)算放大器并為其添加反饋是沒有意義的。
圖3.經(jīng)典反饋原理圖
運(yùn)算放大器需要負(fù)反饋;比較器需要正反饋;儀表放大器不需要任何反饋。
開環(huán)和閉環(huán)增益
對于運(yùn)算放大器，參見式1，開環(huán)增益(AVOL)越高，閉環(huán)增益將越精確。大多數(shù)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益在100,000至1000萬之間，但某些較早的高速運(yùn)算放大器可能低至3000。如前所述，開環(huán)增益越高，閉環(huán)增益誤差越小。
對于比較器，如果輸出的邏輯擺幅為3 V，并且您需要1 mV閾值，則最小增益須為3000。較高的增益將使不確定性窗口變小，但如果增益過高，微伏級的噪聲就會觸發(fā)比較器。
對于儀表放大器，開環(huán)增益的概念并不適用。
輸入電容
電路中常常會添加電容以限制帶寬。檢查圖4，乍看之下R1和C1似乎構(gòu)成了一個低通濾波器。這行不通，可能導(dǎo)致振蕩。反相放大器的反饋系數(shù)為R2/R1，但在圖4中，反饋系數(shù)為R2/(R1 // Xc)。隨著頻率提高，反饋系數(shù)也會提高，因此噪聲增益以+20 dB/10倍頻程的速率上升，而運(yùn)算放大器開環(huán)增益以–20 dB/10倍頻程的速率下降。它們在40 dB處交叉，根據(jù)控制系統(tǒng)理論，這肯定會產(chǎn)生振蕩。限制電路帶寬的正確方法是在R2兩端放置電容。
圖4.嘗試減少運(yùn)算放大器帶寬
比較器通常沒有負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，因此圖5中比較器前面的簡單R和C構(gòu)成的低通濾波器效果很好。RHYS 應(yīng)比R7大得多，兩者分割輸出擺幅以提供少量的正反饋(遲滯)。如果比較器有內(nèi)置遲滯，例如LTC6752或ADCMP391，則不使用R7和RHYS 。
圖5.具有LPF和遲滯的比較器
對于儀表放大器，輸入端放置電容是完全可以接受的，如圖6中的C4所示。ADI公司儀器儀表指南4第5章中的圖形顯示了每次使用儀表放大器時都要做的一件好事情。如果用適當(dāng)?shù)淖呔€和焊盤對印刷電路板進(jìn)行布局，以允許添加兩個電阻和三個電容，那么可以從0Ω電阻和無電容開始，測量系統(tǒng)性能。通過調(diào)整五個元件的值，可以單獨(dú)設(shè)置共模滾降和正常模式滾降(詳情參見指南)。
圖6.RFI濾波器前置于儀表放大器
輸出
運(yùn)算放大器或儀表放大器的輸出會從接近一個軌擺動到另一個軌。根據(jù)輸出級是使用共射極還是共源極配置，輸出可能達(dá)到任一供電軌的25 mV至200 mV范圍內(nèi)。這被視為軌到軌輸出。如果運(yùn)算放大器由+15 V和–15 V供電，則不便于與數(shù)字電路接口。一種糟糕的解決方案是在輸出端放置二極管箝位，以保護(hù)數(shù)字輸入免受損壞。但取而代之的是，運(yùn)算放大器因電流過高而損壞。運(yùn)算放大器與數(shù)字邏輯接口有更復(fù)雜的方法，但何必那么麻煩?只需使用比較器即可。
比較器可以有CMOS圖騰柱輸出，或者有NPN或NMOS開集或開漏輸出。雖然開集或開漏輸出需要一個上拉電阻，導(dǎo)致上升和下降時間不等，但它有如下優(yōu)點：比較器采用一個電壓(如5 V)供電，并在其他電壓(如3.3 V)下與邏輯接口。
重要規(guī)格
運(yùn)算放大器需要一個高于最高信號頻率的增益帶寬，以使閉環(huán)誤差保持較低水平。查看式1，我們知道增益帶寬應(yīng)為最高信號頻率的10至100倍。如前所述，從式1中可以看出，AVOL 是頻率的函數(shù)，會影響閉環(huán)精度。相位裕量也很重要，它會隨容性負(fù)載而變化，因此規(guī)格表應(yīng)清楚說明測試條件。為了確保直流精度，失調(diào)電壓應(yīng)較低。對于經(jīng)過調(diào)整的雙極性運(yùn)算放大器，25 μV至100 μV比較好;對于FET輸入運(yùn)算放大器，200 μV至500 μV比較好。自穩(wěn)零/斬波/零漂移運(yùn)算放大器幾乎總是低于20 μV(最大值)，這是就整個溫度范圍而言的。請查閱一些典型運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊，如ADA4077、ADA4084、ADA4622或ADA4522。
傳輸延遲是比較器的關(guān)鍵規(guī)格。運(yùn)算放大器在過驅(qū)時會變慢，比較器與之不同，當(dāng)過驅(qū)時會變快。規(guī)格表有時會提供少量過驅(qū)(例如5 mV)下的傳輸延遲，以及50 mV甚至100 mV的較大過驅(qū)下的不同傳輸延遲。
儀表放大器最重要的指標(biāo)是共模抑制比(CMRR)，因為應(yīng)用需要提取一個位于大共模電壓之上的非常小的差模信號。像許多規(guī)格一樣，此規(guī)格隨頻率而變化，有時還會列出直流CMRR或非常低頻率下的CMRR。通常會提供CMRR與頻率的關(guān)系圖。例如，當(dāng)檢測H橋電機(jī)驅(qū)動器中的電流時，此圖將非常重要，如圖7所示。
這可能是儀表放大器最困難的應(yīng)用，因為共模電壓從一個軌附近變到接近另一個軌，并且電流迅速反向。增益帶寬和壓擺率都很重要。
編程
這里的編程并不意味著編寫代碼，它是指配置器件以滿足系統(tǒng)要求(盡管某些儀表放大器確實有通過SPI端口和寄存器進(jìn)行傳統(tǒng)軟件編程的功能)。
運(yùn)算放大器需配置為負(fù)反饋。這可以是純阻性元件，但通常將電阻與電容并聯(lián)使用以限制帶寬。這樣有助于提高信噪比，因為噪聲會在整個范圍內(nèi)積分，哪怕我們僅使用其中一部分。也可以只使用電容，獲得一個積分器或微分器。
比較器應(yīng)始終有一點正反饋，以確保一旦輸入迫使輸出移動，輸出就會強(qiáng)化移動(參見圖4和圖5)。圖片和計算參見MT-083。一些比較器具有內(nèi)部遲滯，但如果需要，通常可以增加更多遲滯。一些具有內(nèi)部遲滯的比較器有一個引腳用來添加一個電阻，以改變其遲滯量。
運(yùn)算放大器可以用作比較器，但這并不理想，有一些事項要注意。您必須是一個很好的模擬設(shè)計人員才能很好地做到這一點。MT-083介紹了一些注意事項，討論其利弊的相關(guān)文章有很多。如果您不懼危險，可以查閱參考資料。
圖7.具有高共模擺幅的雙向電流檢測
比較器幾乎總是用電阻進(jìn)行編程。您可以添加一個高阻值電阻來提供一點正反饋，也可以使用一個電容來提供交流反饋以避免增加直流遲滯。一些比較器具有內(nèi)置遲滯，但這同樣可以通過增加少量正反饋來提高。
最后注意事項
嘗試將運(yùn)算放大器用作比較器時，會有微妙的事情發(fā)生。有不少低噪聲雙極性運(yùn)算放大器的輸入之間具有反并聯(lián)二極管。大多數(shù)比較器的輸入共模范圍占總范圍的80%或更多。但是，某些低噪聲雙極性運(yùn)算放大器的輸入之間有一個或兩個串聯(lián)二極管。這是為了防止輸入級與發(fā)射極基極結(jié)之一形成齊納效應(yīng)，導(dǎo)致噪聲性能隨時間推移而降低。
在一個3.3 V系統(tǒng)中，如果將5 V運(yùn)算放大器用作比較器，電源良好指示器的閾值電平為3 V，那么會出現(xiàn)一個輸入為3 V而另一個輸入為0 V的問題，因為這些二極管限制了運(yùn)算放大器輸入端允許的最大差分電壓。
總結(jié)
對于許多應(yīng)用，運(yùn)算放大器的選擇取決于用戶是注重直流精度、交流精度、輸入失調(diào)電壓、增益帶寬還是電源電壓。到2020年，有超過700款器件可供選擇。比較器的關(guān)鍵參數(shù)通常是傳輸延遲和電源電壓。選擇起來比較容易，共有122款器件可供選擇。儀表放大器的主要標(biāo)準(zhǔn)是CMRR與頻率的關(guān)系，但在DC附近，失調(diào)電壓和增益精度也很重要。由于儀表放大器是專用的器件，因此“只有”63款可供選擇。
只有選擇正確的器件，才能實現(xiàn)未來若干年內(nèi)無故障且可以大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品和設(shè)計。
參考文獻(xiàn)
1 Harry Holt。“運(yùn)算放大器的“最大電源電流”規(guī)格”。ADI公司，2011年11月。
2 MT-083教程：“比較器”。ADI公司，2009年。
3 Reza Moghimi。“通過遲滯根除比較器的不穩(wěn)定性”。《模擬對話》，第34卷第7期，2000年11月。
4 《儀表放大器應(yīng)用工程師指南》，第3版 。ADI公司，2006年。
作者簡介
Harry Holt曾是ADI公司(美國加利福尼亞州圣何塞)應(yīng)用工程師，任職14年，最后任職部門是核心應(yīng)用部。之前他曾在美國國家半導(dǎo)體公司工作了27年，從事各種產(chǎn)品的現(xiàn)場和工廠應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)源、音頻編解碼器和FPGA。他擁有圣何塞州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)，并且是國家工程榮譽(yù)協(xié)會(Tau Beta Pi)終身會員和IEEE高級終身會員。Harry于2017年8月退休。
Mike Skroch是一名應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)為美國東部銷售部門在中部和大湖區(qū)的FAE團(tuán)隊提供支持。他于2014年加入凌力爾特公司，然后于2017年成為ADI公司的一名成員。進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)之前，他在電信行業(yè)工作了16年，擔(dān)任過各種角色，為制造、測試開發(fā)、退貨和維修以及研發(fā)提供支持。
